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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren.
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Beim Einsatz von Leistungstransformatoren im Energieversorgungsnetz ist die Minimierung der Verlustleistung ein äußerst wichtiges Kriterium. Die Verlustleistung, die sich beispielsweise in Leerlauf- oder Kurzschlussverlusten wiederspiegelt, ist eine design- und/oder fertigungsabhängige Größe und wird deshalb in einer sogenannten Verlustleistungsmessung bei der Routine- und Typprüfung von Leistungstransformatoren nach IEC Standard 60076-1 bzw. IEEE Standard 057.12.90-1999 überprüft. Die Größe der Verlustleistung wirkt sich beim Energieversorger direkt in Kosten aus und wird daher beim Kauf des Leistungstransformators gegenüber dem Hersteller monetär pönalisiert. Aus diesem Grund ist die Verlustleistung beim Kauf eines Leistungstransformators möglichst genau zu ermitteln. Jedes Hochspannungsprüflabor für Leistungstransformatoren verfügt aus diesem Grund über ein sogenanntes Leistungsmesssystem, welches kalibriert sein muss, um mittels des Leistungsmesssystems die Verlustleistung des Leistungstransformators zu bestimmen und möglichst genau zu messen. Die Kalibrierung eines derartigen Leistungsmesssystems ist zudem vorgeschrieben im IEC Standard 60060-2.
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Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Leistungsmesssysteme umfassen als Teilkomponenten eine Strom- und Spannungsquelle, einen Spannungswandler, einen Stromwandler, ein Prüfobjekt, nämlich den Leistungstransformator, und ein Auswertegerät. Um hinreichend genaue Messwerte mit dem Leistungsmesssystem zu gewährleisten, müssen insbesondere der Stromwandler, der Spannungswandler und das Auswertegerät kalibriert werden. Gängige Praxis ist es dabei, diese genannten Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, also den Stromwandler, den Spannungswandler und das Auswertegerät, einer zeit- und kostenaufwändigen komponentenspezifischen Einzelkalibrierung zu unterziehen. Dafür müssen die Teilkomponenten Stromwandler, Spannungswandler und Auswertegerät aus dem Leistungsmesssystem ausgebaut und an den entsprechenden Gerätehersteller geschickt werden, damit dieser seine jeweilige Teilkomponente kalibrieren kann. Nachdem dann die Teilkomponente einer Einzelkalibrierung unterzogen wurden, kann das Leistungsmesssystem wieder komplettiert, d. h. zusammengebaut, werden. Die Messunsicherheit des gesamten Leistungsmesssystems wird in einem anschließenden Schritt rechnerisch aus den Messunsicherheiten der vom Hersteller kalibrierten einzelnen Teilkomponenten für das gesamte Leistungsmesssystem errechnet bzw. rückgeschlossen.
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Für die Einzelkalibrierung der Teilkomponenten des Leistungsmesssystems bedient sich der Stand der Technik eines sogenannten Referenzmesssystems. In einem Referenzmesssystem sind die zu ermittelnden, bzw. zu kalibrierenden, elektrischen Kenngrößen auf für den Betreiber bekannte Werte, die die Referenzwerte darstellen, genormt. Das Referenzmesssystem dient also mit anderen Worten als Bezugssystem mit für den Betreiber bekannten elektrischen Ausgabewerten bei festgelegten Eingabewerten. In 1 ist der Schaltungsaufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Referenzmesssystems zum Kalibrieren der Teilkomponente des Spannungswandlers dargestellt. Das Referenzmesssystem weist hierfür einen Hochspannungstransformator 1 als Spannungsquelle auf, der mittels Anschlussleitungen mit einem Referenzspannungswandler 2 elektrisch in Verbindung steht. Der Referenzspannungswandler 2 wiederum ist mittels eines Messkabels 3 mit einem Referenzauswertegerät 4 elektrisch verbunden. Weiterhin wird von dem Hochspannungstransformator 1 auch das eigentliche Kalibierobjekt, nämlich ein Spannungswandler 5 und ein Auswertegerät 7, das in elektrisch symmetrischer Anordnung zu dem Referenzspannungswandler 2 und dem Referenzauswertegerät 4 an dem Hochspannungstransformator 1 angeordnet ist, elektrisch gespeist.
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2 zeigt den Schaltungsaufbau eines weiteren, aus dem Stand der bekannten, Referenzmesssystems zur Kalibrierung eines Stromwandlers. Hierfür ist ein Hochstromtransformator 8 als Stromquelle vorgesehen, der mittels eines Hochstromkreises mit einem Referenzstromwandler 9 elektrisch verbunden ist und an dem seinerseits wiederum über ein Referenzmesskabel 10 ein Referenzauswertegerät 11 angeschlossen ist. In dazu symmetrischem Aufbau sind an dem Hochstromkreis des Hochstromtransformators 8 auch die eigentlich zu kalibrierenden Teilkomponenten, nämlich der Stromwandler 12, der über ein Messkabels 13 mit dem Auswertegerät 14 verbunden ist, angeschlossen.
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In beiden in den 1 und 2 dargestellten Referenzmesssystemen wird ein Soll-Istwertabgleich zwischen den ermittelten physikalischen Größen bzw. deren Werten des Referenzmesssystems im Vergleich zu den einzelnen Teilkomponenten, die zu kalibrieren sind, vollzogen. In dem Referenzmesssystem der 1 also beispielsweise ein Abgleich der in dem Referenzspannungswandler 2 und Referenzauswertegerät 4 ermittelten Werte mit denen des Kalibrierobjekts, also dem Spannungswandler 5 und dem Auswertegerät 7 – jeweils einschließlich unter Berücksichtigung deren entsprechenden Messkabel 3 und 6.
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Insgesamt betrachtet ist der aus dem Stand der Technik bekannte Aufbau der Referenzsysteme zur Kalibrierung der einzelnen Teilkomponenten damit sehr umständlich. Einerseits sind technisch unterschiedliche Referenzmesssysteme notwendig, andererseits müssen Stromwandler und Spannungswandler als Einzelkomponente zum jeweiligen Hersteller um kalibrieren versendet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren anzugeben, die es entbehrlich macht, unterschiedliche Referenzmesssysteme für die Kalibrierung der Teilkomponenten Stromwandler, Spannungswandler und Auswertegerät des Leistungsmesssystems heranzuziehen und die auf ein Versenden der Teilkomponenten zum Hersteller für deren Einzelkalibrierung verzichtet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Untersprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, die beiden aus dem Stand der Technik bekannten Referenzmesssysteme für die Kalibrierung eines Stromwandlers, eines Spannungswandlers und eines Auswertegerätes in einer erfindungsgemäßen, gemeinsamen Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems für Leistungstransformatoren zu integrieren, die zudem auf einem Container angeordnet ist, derart, dass die Vorrichtung mittels eines Trailers, der den Container aufnimmt, verfahrbar für eine Vor-Ort-Kalibrierung des Leistungsmesssystems von Leistungstransformatoren ausgebildet ist. Der mobile Container verfügt damit erfindungsgemäß über eine komplett vorinstallierte Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems. Die in dem Container installierte erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Kalibrierung des gesamten Leistungsmesssystem als Systemkalibrierung, bei der die Genauigkeit der Kalibrierung der Einzelkomponenten, aber auch der Einfluss der Zuleitungen zwischen den Einzelkomponenten sowie der Auswertealgorithmus des Auswertegerätes untersucht bzw. kalibriert werden kann. Damit wird eine höhere Kalibriergenauigkeit im Vergleich zur Kalibrierung der Einzelkomponenten erzielt.
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Die einzelnen Teilkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen auch nicht speziell für die Kalibrierung des Leistungsmesssystems vorbereitet werden, sondern es ist das zu kalibrierende Leistungsmesssystem lediglich an die erfindungsgemäße Vorrichtung anzuschließen. Somit müssen die zu kalibrierenden Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, nämlich der Stromwandler, der Spannungswandler und das Auswertegerät, auch nur mehr mit einer gemeinsamen erfindungsgemäßen Vorrichtung kalibriert werden. Der Stromwandler und Spannungswandler müssen nicht mehr, wie im Stand der Technik, einer Einzelkalibrierung durch den jeweiligen Hersteller unterzogen werden, sondern können gemeinsam Vor-Ort mit nur einer einzigen erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zeitgleich ablaufenden Kalibriervorgang kalibriert werden. Bisher war eine Vor-Ort-Kalibrierung mittels der aus dem Stand der Technik separaten Kalibriersysteme nicht wirtschaftlich vertretbar, da sie jeweils auf einem eigenen Container samt Trailer hätten installiert werden müssen. Es wären also zwei Container, inklusive Trailer samt Zugmaschinen notwendig gewesen, um eine Kalibrierung der Teilkomponenten durchführen zu können. Erst die Integration der beiden bisher im Stand der Technik separaten Referenzmesssysteme zu einer erfindungsgemäßen, gemeinsamen Vorrichtung, die auf einem Container angeordnet wird, macht die Vor-Ort Kalibrierung eines Leistungsmesssystems zu einer wirtschaftlich rentablen Alternative für einen Prüffeldbetreiber. Auch wäre es bisher technisch nicht möglich gewesen, die separaten Kalibriersysteme in der im Stand der Technik bekannten Bauform einfach auf einen einzigen, gemeinsamen Container zu installieren, da hier die notwendigen dielektrischen Abstände zwischen den jeweiligen Systemkomponenten des entsprechenden Kalibriersystems nicht ausreichend sichergestellt gewesen wäre. Dies ist nun erstmalig mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.
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Zudem hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich genauere Bestimmung der Verlustleistung des Leistungstransformators sichergestellt, da die bisher rechnerische Ermittlung der Messungenauigkeit aus den Messungenauigkeiten der Teilkomponenten entfällt. Dies deshalb, weil erkannt wurde, dass insbesondere die Messleitungen zwischen den Strom- bzw. Spannungswandlern und dem entsprechenden Ausgabegerät, sowie der Auswertealgorithmus im Auswertegerät selbst, der den Phasenwinkel zwischen den gemessenen elektrischen Größen feststellt und aus den Größen Strom, Spannung und Phasenwinkel die Leistung ermittelt, Einfluss auf das Messergebnis innerhalb des Leistungsmesssystems bzw. des Referenzmesssystems während der Kalibrierung der Teilkomponenten haben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt damit eine gegenüber der Einzelkalibrierung der Teilkomponenten des Leistungsmesssystems mittels der bekannten separaten Referenzmesssysteme, und eine sich daran anschließende Hochrechnung des Messfehlers auf das gesamte Leistungsmesssystem, deutlich erhöhte Messgenauigkeit. Häufig wurden auch die Messdaten der Teilkomponenten manuell erfasst und in einem Kalibrierprotokoll für das gesamte Leistungsmesssystem zusammengeführt; der Messfehler der Teilkomponenten wurde damit in das Kalibrierprotokoll des gesamten Leistungsmesssystems übertragen, was letzten Endes auf Kosten der Messwertgenauigkeit des Leistungsmesssystems geschieht.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung der beschriebenen Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 den Schaltplan eines Referenzmesssystem nach dem Stand der Technik zum Kalibrieren eines Spannungswandlers
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2 den Schaltplan eines Referenzmesssystem nach dem Stand der Technik zum Kalibrieren eines Stromwandlers
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3 den schematisierten Schaltplan einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems eines Leistungstransformators
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4 den schematisierten Schaltplan einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems eines Leistungstransformators.
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In 3 ist der schematisierte Schaltplan einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kalibrieren eines Leistungsmesssystems eines Leistungstransformators in einer Draufsicht auf einen Container 30 gezeigt. Bei dem Container 30 kann es sich beispielsweise um einen gängigen 40-Fuß Standardcontainer handeln, der mit einem Trailer samt Zugmaschine kompatibel und damit verfahrbar ist. Als Spannungsquelle dient ein im hinteren Bereich des Containers 30 angeordneter Hochspannungstransformator 31, der die erforderliche Prüfspannung von bis zu 100 kV für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verfügung stellt. Mittels einer elektrischen Leitung steht ein Referenzspannungswandler 32 mit dem Hochspannungstransformator 31 in Verbindung. Der Referenzspannungswandler 32, der eine Eingangsspannung auf für den Prüffeldbetreiber bekannte Ausgangsspannung wandelt, ist seinerseits sowohl über eine Hochstromkreis 33 mit einem Hochstromtransformator 34, der einen maximalen Prüfstrom von 2 kA zur Verfügung stellt, elektrisch verbunden, als auch mit einem Referenzstromwandler 35, der seinerseits wiederum einen Eingangsstrom auf für den Prüffeldbetreiber bekannten Ausgangsstrom wandelt. Darüber hinaus steht ein Referenzauswertegerät 36 jeweils über Referenzmesskabel 37.1 und 37.2 sowohl mit dem Referenzspannungswandler 32 als auch dem Referenzstromwandler 35 elektrisch in Verbindung. Das ebenfalls auf für den Betreiber auf bekannte elektrische Kenngrößen genormte Referenzauswertegerät 36 nimmt bei der Leistungsmessung die Signale des Referenzstromwandlers 32 und Referenzspannungswandlers 35 auf und errechnet daraus die Wirkleistung P, die Scheinleistung S, die Frequenz f, und den Phasenwinkel zwischen angelegtem Strom und angelegter Spannung. Zusätzlich kann mittels des Referenzauswertegerätes 36 der Oberwellengehalt der Sinusgrößen ausgewertet werden. Ein sehr weit verbreitetes Referenzauswertegerät 36 für die Leistungsmessung ist das YOKOGAWA WT3000. In den Hochstromkreis 33 eingeschleift sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die zu kalibrierenden Teilkomponenten des Leistungsmesssystems, nämlich ein Spannungswandler 38, ein Stromwandler 39 und ein Auswertegerät 40. In analog symmetrischen Aufbau zu den Referenzmessgeräten steht auch das Auswertegerät 40 jeweils über Messkabel 41.1 und 41.2 sowohl mit dem Spannungswandler 38 als auch dem Stromwandler 39 elektrisch in Verbindung. Das Referenzauswertegerät 36 sowie das zu kalibrierende Auswertegerät 40 befinden sich dabei in einem elektromagnetisch abgeschirmten Bedienraum 42 innerhalb des Containers 30 angeordnet, um die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet ist.
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Der Spannungswandler 38 und der Stromwandler 39 lassen sich dabei auf besonders einfache Weise mittels einer in der Seitenwandung des Containers 30 vorgesehenen, vorzugsweise doppelflügelig ausgebildeten, Türe 43 innerhalb des Containers 30 positionieren. Zudem hat sich gezeigt, dass durch die Platzierung aller Systemkomponenten innerhalb des Containers 30 eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird, da durch eine Klimatisierung des Containers 30 für alle verbauten Systemkomponenten die gleichen klimatischen Bedingungen vorherrschen.
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Im Unterschied zu 4 sind in 5 der Spannungswandler 38 und der Stromwandler 39 mittels einer verlängerbaren Hochstromverbindung 44 außerhalb des Containers 30 positionierbar. Auch bei dieser Ausführungsform steht das ebenfalls außerhalb des Containers 30 angeordnete Auswertegerät 40 jeweils über Messkabel 41.1 und 41.2 sowohl mit dem Spannungswandler 38 als auch dem Stromwandler 39 elektrisch in Verbindung. Die Kommunikation zwischen dem Referenzauswertegerät 36 und dem zu kalibrierenden Auswertegerät 40 erfolgt hier mittels einer Datenverbindungsleitung 45, beispielsweise in Form einer Remote Control Verbindung.
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Aus dem Buch „Hochspannungstechnik" von Andreas Küchler, Springer Verlag, 2005 sind Strom- und Spannungswandler bekannt, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können. Für die Bestimmung der Spannung haben sich insbesondere kapazitive Spannungswandler im Stand der Technik bewährt wohingegen sich für die Bestimmung des Stroms induktive Stromwandler eignen.
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Ein solcher aus dem Stand der Technik bekannter kapazitiver Spannungswandlers wird stets an einem stromdurchflossenen Leiter angeschlossen. Genauer gesagt, werden an einen stromdurchflossenen Leiter zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren angeschlossen. Der Niederspannungskondensator in einem unteren Gehäuse wird dabei mit dem Erdpotential verbunden. Ein Oberspannungskondensator ist in einem separaten, isolierenden Stützrohr angeordnet und trennt das Hochspannungspotential am oberen Gehäuse vom Erdpotential des unteren Gehäuses. Das obere Gehäuse, welches die Verbindung zwischen dem Leiter und dem Oberspannungskondensator umgibt, liegt ebenfalls auf Hochspannungspotential. Aus dem Verhältnis der beiden Kondensatoren sowie der gemessenen Spannung am Niederspannungskondensator lässt sich die Spannung am stromdurchflossenen Leiter ermitteln.
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Für die Bestimmung des Stromes werden meist induktive Stromwandler verwendet. Dabei ist um den stromdurchflossenen Leiter ein geschlossener, ringförmiger Eisenkern angeordnet, um den eine Wicklung gewickelt ist, in der ein Strom induziert wird, sobald ein Strom durch den Leiter fließt. Ein Nebenschlusswiderstand ist mit der Wicklung in Reihe geschaltet. Durch Messung des Stromes am Nebenschlusswiderstand kann der Strom des Leiters bestimmt werden. Das Gehäuse der Vorrichtung ist dreiteilig ausgebildet. Das obere Gehäuse umschließt den stromdurchflossenen Leiter und ist über ein isolierendes Stützrohr mit dem unteren Gehäuse verbunden. Das obere Gehäuse liegt auf Hochspannungspotential, während das untere Gehäuse auf Erdpotential liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochspannungstransformator
- 2
- Referenzspannungswandler
- 3
- Referenzmesskabel
- 4
- Referenzauswertegerät
- 5
- Spannungswandler
- 6
- Messkabel
- 7
- Auswertegerät
- 8
- Hochstromtransformator
- 9
- Referenzstromwandler
- 10
- Referenzmesskabel
- 11
- Referenzauswertegerät
- 12
- Stromwandler
- 13
- Messkabel
- 14
- Auswertegerät
- 30
- Container
- 31
- Hochspannungstransformator
- 32
- Referenzspannungswandler
- 33
- Hochstromkreis
- 34
- Hochstromtransformator
- 35
- Referenzstromwandler
- 36
- Referenzauswertegerät
- 37.1 und 37.2
- Referenzmesskabel
- 38
- Spannungswandler
- 39
- Stromwandler
- 40
- Auswertegerät
- 41.1 und 41.2
- Messkabel
- 42
- Bedienraum
- 43
- Türe
- 44
- verlängerbare Hochstromverbindung
- 45
- Datenverbindungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC Standard 60076-1 [0002]
- IEEE Standard 057.12.90-1999 [0002]
- IEC Standard 60060-2 [0002]
- „Hochspannungstechnik” von Andreas Küchler, Springer Verlag, 2005 [0021]
